CN110838429A - 腔体内衬、等离子体反应腔室和等离子体设备 - Google Patents

腔体内衬、等离子体反应腔室和等离子体设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种腔体内衬、等离子体反应腔室和等离子体设备。该腔体内衬包括底壁衬体和侧壁衬体，所述侧壁衬体环绕所述底壁衬体设置以形成工艺腔，所述底壁衬体的中部形成用于设置偏置电极的容置口，所述底壁衬体上设置有多个沿所述底壁衬体厚度方向贯穿所述底壁衬体的抽气孔，所述底壁衬体的上表面为朝向所述工艺腔凸出的曲面，并且从所述容置口到所述底壁衬体与所述侧壁衬体的连接处的方向上所述曲面的高度逐渐降低。将该腔体内衬应用于等离子体设备中，有利于提高晶片表面反应的一致性。

Description

腔体内衬、等离子体反应腔室和等离子体设备
技术领域
本发明涉及等离子体技术领域，更具体地，涉及一种腔体内衬、一种等离子体反应腔室和一种等离子体设备。
背景技术
等离子体设备例如等离子体刻蚀设备或者等离子体沉积设备等。在等离子体设备中，等离子体中的自由基或离子运动到晶片表面并与晶片相互作用。晶片的刻蚀或沉积的均匀性受到等离子体分布的均匀性的影响。而等离子体分布的均匀性受到等离子体和反应副产物抽离反应腔室的影响。
参见图1所示的等离子体设备，为一个典型的电感耦合等离子体设备。源射频源1通过匹配器2将射频能量输送至电感线圈4。反应气体功过进气管道3进入腔体。电感线圈4透过介电窗5在腔体空间内激发等离子体6。内衬12一般由侧壁衬体和与所述侧壁衬体的下边缘相连的底壁衬体构成。底壁衬体的中部为空心结构，形成容置口，在这个容置口处一般设置偏置电极9。典型的内衬12成“桶状”，“桶”的底面的边缘处设置有抽气孔。内衬12一般接地，并将等离子体束缚在内衬12的内部空间(即工艺腔)内。偏置射频源11通过匹配器10将射频电压施加在偏置电极9。偏置电极9将等离子体6拉向晶片8进行反应。反应产生的副产品通过内衬12的底壁衬体上的抽气孔被抽离工艺腔。
现有的等离子体设备存在晶片8的边缘处等离子体被抽离的速度过大，导致晶片边缘的刻蚀速率或沉积速率小于晶片中心区域的刻蚀速率或沉积速率。
发明内容
本发明提供一种腔体内衬、一种等离子体反应腔室和一种等离子体设备，以解决现有技术中存在的至少一个技术问题。
根据本发明的第一个方面，提供一种腔体内衬，所述腔体内衬包括底壁衬体和侧壁衬体，所述侧壁衬体环绕所述底壁衬体设置以形成工艺腔，所述底壁衬体的中部形成用于设置偏置电极的容置口，所述底壁衬体上设置有多个沿所述底壁衬体厚度方向贯穿所述底壁衬体的抽气孔，所述底壁衬体的上表面为朝向所述工艺腔凸出的曲面，并且从所述容置口到所述底壁衬体与所述侧壁衬体的连接处的方向上所述曲面的高度逐渐降低。
可选地，所述底壁衬体为以所述腔体内衬的中轴线为旋转轴的回转体，所述底壁衬体的上表面的母线为圆弧或抛物线。
可选地，所述母线在所述容置口处的切线为水平线，所述母线在所述底壁衬体与所述侧壁衬体的连接处的切线与水平线的夹角的范围为[15°，45°]。
可选地，在所述底壁衬体的上表面，沿从所述底壁衬体的内部到所述底壁衬体的外部的方向，所述抽气孔的面积与所述底壁衬体的上表面面积之间的比例逐渐增大。
可选地，各所述抽气孔形状相同，多个所述抽气孔分别分布在多个不同的圆周上，该多个圆周的圆心均位于所述底壁衬体的中轴线上，并且从所述中轴线向外各个所述同心圆上的抽气孔数量逐渐增多。
可选地，多个所述抽气孔分别分布在多个不同的圆周上，该多个圆周的圆心均位于所述底壁衬体的中轴线上，每个所述同心圆上的抽气孔数量相同，同一所述圆周上的抽气孔形状相同，并且从所述中轴线向外各个所述圆周上的抽气孔面积逐渐增大。
可选地，所述侧壁衬体包括竖直部和过渡部，所述过渡部连接在所述竖直部与所述底壁衬体之间，所述过渡部的内表面为曲面。
可选地，所述侧壁衬体与所述底壁衬体形成为一体结构。
根据本发明的第二个方面，提供一种等离子体反应腔室，包括腔室主体和根据本发明第一方面所提供的腔体内衬，所述腔体内衬设置在所述腔室主体内，所述腔体内衬的底壁衬体的容置口环绕偏置电极，且所述底壁衬体的上表面在所述容置口处与所述偏置电极的上表面齐平，所述腔室主体的壁上设置有通孔。
根据本发明的第三个方面，提供一种等离子体设备，包括等离子体反应腔室和抽气装置，所述等离子体反应腔室为本发明第二方面所提供的等离子体反应腔室；所述抽气装置的抽气口与所述通孔相通。
将本发明的实施例所提供的腔体内衬应用于等离子体设备中，可使晶片边缘处的等离子体的流速相对于晶片中部的等离子体的流速变化缓慢，从而使整个晶片表面各处的反应速度更加均匀。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是现有的等离子体设备的结构图；
图2是本发明实施例的腔体内衬及其参与构成的等离子体设备的结构图；
图3是本发明实施例的等离子体设备中晶片表面流速与现有技术中晶片表面流速的对比图；
图4是本发明的另一实施例的腔体内衬及其参与构成的等离子体设备的结构图；
图5是本发明的实施例的底壁衬体的结构图；
图6是本发明的另一实施例的底壁衬体的结构图；
图7是本发明的实施例的底壁衬体的上表面的母线的示意图；
各附图中的附图标记为：1、源射频源；2、匹配器；3、进气管道；4、电感线圈；5、介电窗；6、等离子体；7a、底壁衬体；7b、侧壁衬体；8、晶片；9、偏置电极；10、匹配器；11、偏置射频源；12、内衬；13、抽气孔；14、腔室主体；15、通孔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
根据本发明的第一个方面，提供一种腔体内衬，如2所示，所述腔体内衬包括底壁衬体7a和侧壁衬体7b，侧壁衬体7b环绕底壁衬体7a设置以形成工艺腔(即容纳等离子体6的空间)，底壁衬体7a的中部形成用于设置偏置电极9的容置口，底壁衬体7a上设置有多个沿底壁衬体7a厚度方向贯穿底壁衬体7a的抽气孔，底壁衬体7a的上表面为朝向所述工艺腔凸出的曲面，并且从所述容置口到底壁衬体7b与侧壁衬体7a的连接处的方向上所述曲面的高度逐渐降低。
相较于现有技术中的底壁衬体与侧壁衬体呈直角结构的设计方案，本发明实施例所提供的腔体内衬能够有效地引导偏置电极9边缘附近气体流场的流向，使偏置电极9边缘的剪切流向底壁衬体9a的边缘移动。从而使得偏置电极9上方的晶片8表面处流场的分布更加均匀。
图3示出了现有技术中的腔体衬体与本发明所提供的腔体衬底应用于等离子体设备中时，晶片8表面2mm处气体流速分布对比结果。图3横轴代表晶片8的直径方向。从图3中可以看出，利用本发明所提供的腔体内衬可以使得晶片8的边缘处气体流速变化平缓。当将现有技术所提供的腔体内衬应用于等离子体设备中时，晶片8边缘出的气体流速急剧增大。晶片8中部区域与边缘区域的气体流速分布一致性更强，因而反应的一致性也更强。图3中的箭头方向为主气流方向。
具体地，底壁衬体7a和侧壁衬体7b均由导电材料形成，在等离子体设备中，底壁衬体7a和侧壁衬体7b均接地。
可选地，参见图7所示，底壁衬体7a为以所述腔体内衬的中轴线O为旋转轴的回转体，底壁衬体7a的上表面的母线A为圆弧或抛物线，当然也可以是其他类型的符合上述要求的曲线。
图7中示出的是该中轴线O以及该回转体的一个截面。
底壁衬体7a的上表面采用上述设置方案更易于制造。
可选地，母线A在容置口出的切线为水平线，母线A在底壁衬体7a与侧壁衬体7b的连接处的切线与水平线的夹角的范围为[15°，45°]。
如果该夹角过小，对剪切流的外移效果有限。如果该夹角过大，则会导致该衬体所围空间尺寸过大，难于满足整体各部件的安装需求。经本发明的发明人研究确定上述范围内工艺的一致性较佳。
需要说明的是，母线A在容置口出的切线为水平线是指该腔体内衬水平放置情况下所确定的状态。
可选地，如图5和图6所示，在底壁衬体7a的上表面，沿从底壁衬体7a的内部到底壁衬体7a的外部的方向，抽气孔13的面积与底壁衬体的上表面面积之间的比例逐渐增大。
也即是距离底壁衬体7a的中心越远(越靠近底壁衬体7a与侧壁衬体7b的交界处)，抽气孔13所占的面积越大。如此，距离底壁衬体7a的中心越远，气流越容易被抽走。这样设计也是有利于剪切流向远离底壁衬体7a的中心的方向移动。
例如，如图6所示，各抽气孔13形状相同(例如是相同直径的圆形或相同尺寸的矩形)，多个抽气孔13分别分布在多个不同的圆周上，该多个圆周的圆心均位于底壁衬体7a的中轴线上，并且从所述中轴线向外各个所述同心圆上的抽气孔13数量逐渐增多。
图6中的虚线箭头标示的是同一个所述同心圆上的相邻两个抽气孔13之间的间距。
又例如，如图5所示，多个抽气孔13分别分布在多个不同的圆周上，该多个圆周的圆心均位于底壁衬体7a的中轴线上，每个所述同心圆上的抽气孔数量相同，同一所述圆周上的抽气孔13形状相同，并且从所述中轴线向外各个所述圆周上的抽气孔13面积逐渐增大(例如是直径越来越大的圆形抽气孔13)。
图5和图6只示出了底壁衬体7a的一部分，需要说明的是，按照图2所示的视角，距离底壁衬体7a的中心越远的同心圆，它的位置越低。
基于上述发明构思，本领域技术人员还例如可以采用栅格状的底壁衬体7a，对栅格的大小做出相应的设定。
可选地，如图4所示，侧壁衬体7b包括竖直部和过渡部，所述过渡部连接在所述竖直部与底壁衬体7a之间，所述过渡部的内表面为曲面。而在图2中，侧壁衬体7b仅包括竖直部，侧壁衬体7b的在图2所示的剖面外的其他一些部位处没有设置抽气孔13，在这些地方侧壁衬体7b与底部衬体7a固定连接在一起。
可选地，在图4所示的腔体内衬中，侧壁衬体7b与底壁衬体7a形成为一体结构。如此，可省去侧壁衬体7b与底壁衬体7a的连接工艺。
根据本发明的第二个方面，提供一种等离子体反应腔室，如图2和图4所示，所述等离子体反应腔室包括腔室主体14和根据本发明第一方面所提供的腔体内衬(包括底壁衬体7a和侧壁衬体7b)，所述腔体内衬设置在腔室主体14内，所述腔体内衬的底壁衬体7a的容置口环绕偏置电极9，且底壁衬体7a的上表面在该容置口处与偏置电极9的上表面齐平，腔室主体14的壁上设置有通孔15。
具体地，偏置电极9是用于在晶片8附近形成偏差电场，将等离子体6中的带电粒子拉向晶片8。通孔15用于连接抽气装置(未示出)。
将上述等离子体反应腔室应用于等离子体设备中，同样可以起到提高晶片8表面反应的一致性。
根据本发明的第三个方面，提供一种等离子体设备，如图2和图4所示，所述等离子体设备包括等离子体反应腔室和抽气装置(未示出)，所述等离子体反应腔室为根据本发明第二方面所提供的等离子体反应腔室；该抽气装置的抽气口(未示出)与通孔15相通。
具体地，晶片8表面的反应副产物通过抽气孔13、通孔15进入该抽气装置，最后被该抽气装置抽走。
当然，所述等离子体设备还包括等离子体激发装置(例如包括源射频源1、匹配器2和电感线圈4)，所述等离子体激发装置用于在所述腔体内衬的内部空间激发等离子体8。
应用本发明所提供的等离子体设备对晶片8进行加工，晶片8表面的气流分布均匀，因而晶片8表面的工艺一致性得到提高。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种腔体内衬，所述腔体内衬包括底壁衬体和侧壁衬体，所述侧壁衬体环绕所述底壁衬体设置以形成工艺腔，所述底壁衬体的中部形成用于设置偏置电极的容置口，所述底壁衬体上设置有多个沿所述底壁衬体厚度方向贯穿所述底壁衬体的抽气孔，其特征在于，所述底壁衬体的上表面为朝向所述工艺腔凸出的曲面，并且从所述容置口到所述底壁衬体与所述侧壁衬体的连接处的方向上所述曲面的高度逐渐降低。
2.根据权利要求1所述的腔体内衬，其特征在于，所述底壁衬体为以所述腔体内衬的中轴线为旋转轴的回转体，所述底壁衬体的上表面的母线为圆弧或抛物线。
3.根据权利要求2所述的腔体内衬，其特征在于，所述母线在所述容置口处的切线为水平线，所述母线在所述底壁衬体与所述侧壁衬体的连接处的切线与水平线的夹角的范围为[15°，45°]。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的腔体内衬，其特征在于，在所述底壁衬体的上表面，沿从所述底壁衬体的内部到所述底壁衬体的外部的方向，所述抽气孔的面积与所述底壁衬体的上表面面积之间的比例逐渐增大。
5.根据权利要求4所述的腔体内衬，其特征在于，各所述抽气孔形状相同，多个所述抽气孔分别分布在多个不同的圆周上，该多个圆周的圆心均位于所述底壁衬体的中轴线上，并且从所述中轴线向外各个所述同心圆上的抽气孔数量逐渐增多。
6.根据权利要求4所述的腔体内衬，其特征在于，多个所述抽气孔分别分布在多个不同的圆周上，该多个圆周的圆心均位于所述底壁衬体的中轴线上，每个所述圆周上的抽气孔数量相同，同一所述同心圆上的抽气孔形状相同，并且从所述中轴线向外各个所述同心圆上的抽气孔面积逐渐增大。
7.根据权利要求1-3任意一项所述的腔体内衬，其特征在于，所述侧壁衬体包括竖直部和过渡部，所述过渡部连接在所述竖直部与所述底壁衬体之间，所述过渡部的内表面为曲面。
8.根据权利要求7所述的腔体内衬，其特征在于，所述侧壁衬体与所述底壁衬体形成为一体结构。
9.一种等离子体反应腔室，其特征在于，包括腔室主体和权利要求1-8任意一项所述的腔体内衬，所述腔体内衬设置在所述腔室主体内，所述腔体内衬的底壁衬体的容置口环绕偏置电极，且所述底壁衬体的上表面在所述容置口处与所述偏置电极的上表面齐平，所述腔室主体的壁上设置有通孔。
10.一种等离子体设备，包括等离子体反应腔室和抽气装置，其特征在于，所述等离子体反应腔室为权利要求9所述的等离子体反应腔室；所述抽气装置的抽气口与所述通孔相通。
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